本发明专利技术涉及一种基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路及测量方法，包括级联的运算放大电路、过载保护电路、反馈电路；运算放大电路由输入级、中间级和输出级三个运算放大电路级联构成。本发明专利技术对一般的反馈回路进行适当调整，抵消反馈电阻的寄生电容带来的影响，大幅提升了微弱电流的测量速度；将低输入偏置电流运放、低输入失调电压运放和高速运放三种运放有机结合，充分利用三种运放各自的优点，规避其缺点，然后组成一个低输入偏置电流、低输入失调电压和高响应速度的跨阻放大电路，实现对飞安级电流的跨阻放大，并达到较快的响应速度。度。度。
【技术实现步骤摘要】
基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路及测量方法
：
[0001]本专利技术涉及电子测量
，尤其涉及一种基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路。
技术介绍
：
[0002]随着科技发展，人们对微弱电流信号的精确测量的要求越来越高。在材料性能研究、电子元器件的生产、设备安规测试等领域均有测量皮安级乃至飞安级电流的需求。
[0003]微弱电流测量方式主要有两种方式：跨阻放大法和电流积分法。跨阻放大法的工作原理是：被测电流接运算放大器的反相输入端，反馈电阻R两端分别接在运放的反相端和输出端，运放的同相端接地，被测电流I流经反馈电阻，则根据运放虚短虚断的特性，输出端的电压U＝IR，使用模数转换芯片测出该电压U，易得被测电流。目前的使用跨阻放大法测量微弱电流的仪器很多，但使用跨阻放大法电路的仪器存在测量微弱电流时收敛时间长的问题，特别是测量皮安级电流及以下电流时，反馈电阻的阻值一般大于10G，此时由于寄生电容的存在，要使测量值收敛到稳定值0.1％以内的话，可能需要几百毫秒乃至更长的时间。此外，跨阻放大电路使用的运算放大器必须有非常低的输入偏置电流(Ibias<100pA)，而市场上这类运算放大器的摆率一般不高，这也影响了电流表的测量速度。
技术实现思路
：
[0004]针对现有技术中存在上述的问题，本专利技术提出了一种基于跨阻放大的微弱电流检测电路及测量方法，在保证高精度的前提下，大幅提高了测量速度。
[0005]本专利技术提供一种基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路，包括级联的运算放大电路、过载保护电路、反馈电路。
[0006]其中级联的运算放大电路由输入级、中间级和输出级三个运算放大电路级联构成，输入级运算放大电路的输入端作为整个级联运放的输入端，输出级运算放大电路的输出端作为整个级联运放的输出端。
[0007]过载保护电路连接运算放大电路的输入端，反馈电路连接过载保护电路和级联运算放大电路的输出端。
[0008]过载保护电路由一个电阻器和两个二极管组成。两个二极管选用低漏电流的型号，防止影响微弱电流的测量。
[0009]输入级运算放大器U1为低输入偏置电流的运算放大器，中间级运算放大器U2为低失调电压的运算放大器，输出级运算放大器U3为高速运算放大器。
[0010]一般的跨阻放大电路的反馈电阻RF直接连接输入和输出端，由于寄生电容CF的存在，当测量时，其输出端的电压其时间常数为R
F
*C
F
。测量微弱电流时，R
F
值在10G以上，则时间常数将很大。本专利技术的反馈电路由反馈电阻R
F
和电阻R1、C1组成，其中R
F
本身的寄生电容为C
F
，其中R1*C1＝R
F
*C
F
。根据基尔霍夫电压定律，对于A点使用节点
电流方程有：
[0011][0012]变形可得
[0013][0014]其中，V
A
为A点电压，为V
A
的微分，又因为
[0015][0016]易得
[0017][0018]带入上式可得
[0019][0020]其中，I
m
为被测电流，t为时间，e为自然对数的底数，化简得
[0021][0022]由上式可知，当R1*C1＝R
F
*C
F
时
[0023][0024]此种条件下，输出电压为不随时间改变的稳恒值，不再受反馈电阻的寄生电容C
F
的影响，解决了收敛时间长的问题。
[0025]关于跨阻放大电路的偏置电流Ibias：
[0026]输入级运算放大器U1反向端和输出端相连，构成一个电压跟随器，作为整个放大电路的输入端。由于输入级运算放大器U1的作为输入端，其反相端输入偏置电流就是整个运算放大电路的输入偏置电流，所以输入级运算放大器U1选用低输入偏置电流的运放时，整个放大电路的输入偏置电流就能很低。
[0027]关于跨阻放大电路的失调电压Vos：
[0028]假设输入级运算放大器U1、中间级运算放大器U2的输入失调电压分别为Vos1、Vos2；
[0029]当中间级运算放大器U2同相端接地时，中间级运算放大器U2反相端将有电压
‑
Vos2，由于输入级运算放大器U1为电压跟随器，可知输入级运算放大器U1的反相端也将有电压
‑
Vos2，而输入级运算放大器U1的输入失调电压为Vos1，根据电压叠加原理，输入级运
算放大器U1同相端的电压为Vos1
‑
Vos2，此即整个跨阻放大电路的失调电压Vos。由于整个跨阻放大电路的失调电压受前两级运发的影响，故只要将中间级运放的静态工作点调整到Vos2
–
Vos1，即可消除整个环路的输入失调电压。
[0030]关于跨阻放大电路的响应速度：
[0031]输出级运算放大器U3与若干电阻构成一同相放大电路。整个放大电路可以看作中间级运算放大器U2起跨阻放大作用，将微弱电流信号转换成小电压，而输出级运算放大器U3起电压放大作用，其将小电压再放大为较大电压，它的输出电压即为整个放大电路的输出电压，所以它的电压输出的响应速度也决定了整个放大电路的响应速度(U1、U2的输出电压很小，即便它们的响应较慢，对整个电路的响应速度影响也微乎其微)，故应选用高速运放就能实现整个放大回路的响应速度。
[0032]本专利技术还提供一种上述基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路的测量方法，测量时使同轴电缆的芯线和屏蔽层等电位，从而使泄漏电流为0，包括如下步骤：
[0033](1)将测量电路的输入端a端连接到同轴电缆的芯线，然后连接到被测件，被测件的另一端接地；
[0034](2)将测量电路的输出端b端分出两股c端和d端；
[0035](3)将c端连接同轴电缆的屏蔽层；
[0036](4)将d端连接外部电源U输出端正端；
[0037](5)外部电源U输出端负端接地；
[0038](6)测量时，由于测量电路的输入端a端和输出端b端两端电势差为0，因此根据欧姆定律，流经泄漏电阻RL1的漏电流I
RL1
即为0；
[0039](7)此时，虽然流经泄漏电阻RL2的漏电流I
RL2
不为0，但此漏电流不流经测量电路，不会影响被测电流I
m
；
[0040](8)由于I
DUT
＝I
m
+I
RL1
，现在I
RL1
＝0，故有I
DUT
＝I
m
，即保证了测量电路所测的电流I
m
即为被测件上流过的电流I
DUT
。
[0041]本专利技术的有益效果是：
[0042]1、对一般的反馈回本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路，其特征在于：包括级联的运算放大电路、过载保护电路、反馈电路；所述运算放大电路由输入级、中间级和输出级三个运算放大电路级联构成；所述过载保护电路连接运算放大电路的输入端，过载保护电路由一个电阻器和两个二极管组成；所述反馈电路连接过载保护电路和运算放大电路的输出端，由电阻、反馈电阻和电容组成。2.根据权利要求1所述的基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路，其特征在于：输入级运算放大器为低输入偏置电流的运算放大器，中间级运算放大器为低失调电压的运算放大器，输出级运算放大器为高速运算放大器。3.根据权利要求2所述的基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路，其特征在于：输入级运算放大器的反向端和输出端相连，构成一个电压跟随器，作为整个放大电路的输入端，其反相端输入偏置电流为整个运算放大电路的输入偏置电流。4.根据权利要求3所述的基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路，其特征在于：输入级运算放大器的输入失调电压减去中间级运算放大器的反向端电压为整个运算放大电路的失调电压。5.根据权利要求4所述的基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路，其特征在于：输出级运算放大器的电压输出响应速度为整个运算放大电路的响应速度。6.根据权利要求5所述的基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路，其特征在于：所述反馈电路由反馈电阻R
F
、电阻R1和电容C1组成，其中R
F
的寄生电容为C
F
，R1*C1＝R
F
*C
F
，对于A点使用节点电流方程有：变形可得其中，V
A...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹晨，孙伯乐，刘瑜，
申请(专利权)人：常州同惠电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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